Verwachting waterdiepte Rijntakken

Hele tekst

(1)Verwachting waterdiepte Rijntakken.

(2) Verwachting waterdiepte Rijntakken. Auteur(s) Rolien van der Mark Matthijs den Toom Remi van der Wijk Kees Sloff. 2 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(3) Verwachting waterdiepte Rijntakken Opdrachtgever. Rijkswaterstaat Water, Verkeer en Leefomgeving. Contactpersoon. de heer J.P. Kors. Referenties Trefwoorden. Verwachtingen, MGD, waterdiepte, Rijntakken, afvoerverwachtingen, RWsOS, BfG. Documentgegevens Versie. 1.0. Datum. 18-12-2020. Projectnummer. 11205272-006. Document ID. 11205272-006-ZWS-0008. Pagina’s. 107. Classificatie Status. definitief. Auteur(s) Rolien van der Mark Matthijs den Toom Remi van der Wijk Kees Sloff. Doc. Versie. Auteur. Controle. Akkoord. 1.0. Rolien van der Mark. Anke Becker. Gerard Blom. 3 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020. Publicatie.

(4) Samenvatting Tijdens de zomer en herfst van 2018 daalde de afvoer op de Rijn als gevolg van aanhoudende droogte. Hierdoor daalde de waterdiepte en kon niet alle vracht worden vervoerd. Voor enkele bedrijven ontstonden flinke problemen doordat de aan- en afvoer van goederen over water stokte. Vanuit de logistieke sector (verladers, bevrachters) zijn er bij aankomende droogteperiodes maatregelen te nemen om beter te anticiperen op verminderde waterdiepte. De huidige voorspellingen die worden ontsloten betreffen echter geen waterdiepte maar waterstand, en bovendien kijken die niet ver genoeg vooruit om adequate tactische en strategische keuzes te maken. Mogelijk dat ook voor de Landelijke Coördinatiecommissie Waterverdeling (LCW), die actief wordt bij dreigende watertekortsituaties, een verwachting in waterdiepte nuttig is voor het nemen van beslissingen met betrekking tot keuzes in waterverdeling. Er is geconstateerd dat tijdens langdurige droogteperiodes met lage rivierafvoeren behoefte is aan een verwachting van de waterdiepte op de Nederlandse rivieren voor een langere termijn van 6-8 weken, en in het bijzonder voor de Rijntakken (Boven-Rijn, Waal, Pannerdensch Kanaal, Neder-Rijn, Lek en IJssel). In deze studie is een procesbeschrijving opgesteld hoe te komen tot een verwachting van de waterdiepte voor de Rijntakken, op basis van bestaande informatie, zowel voor een scenario met een statische bodem als (eerste aanzet) met een dynamische bodem. Zodra een droogte periode zich aankondigt, kan dit proces doorlopen worden en zo een diepteverwachting afgegeven worden. Het proces is eenmalig doorlopen, en er is kwalitatieve beschouwing gegeven van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid waarmee een verwachting kan worden afgegeven. Een verwachting heeft alleen waarde, als deze de juiste informatie levert om een beslissing te kunnen nemen. Er is een beknopte verkenning uitgevoerd naar de toepassingswaarde van de diepteverwachtingen. Dit is gedaan enerzijds via een scan van literatuur, anderzijds door in gesprek te gaan met een klankbordgroep (bijeenkomst) en de transportsector (enquête). Aan de hand hiervan is geconcludeerd dat er behoefte is binnen de natte transportsector naar langere-termijn verwachtingen. Het is aanbevolen om in 2021 als pilot langere-termijn diepteverwachtingen met de statische bodem te gaan afgeven tijdens droogte, en zo te ontdekken of de afgifte meerwaarde heeft. Het stappenplan is hiervoor concreet genoeg en vrij eenvoudig te doorlopen. Belangrijke bevindingen zijn dat (1) in het stappenplan is opgenomen dat afvoerreeksen van de Duitse BfG nodig zijn, omdat die momenteel de beste verwachting geven, dat (2) multibeam-peilingen van de bodemligging op een gegeven moment minder geschikt zijn dan CoVadem-data (die zijn actueler en op een gegeven moment voldoende qua nauwkeurigheid en dichtheid), en dat (3) de wijze waarop een dynamische bodemverwachting wordt meegenomen nog aanvullende analyse vraagt.. 4 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(5) Inhoud. 1. Samenvatting. 4. Inleiding. 8. 1.1. Aanleiding. 8. 1.2 1.2.1 1.2.2. Opdracht Doel Ruimtelijke afbakening. 8 8 8. 1.3. Aanpak. 10. 1.4. Leeswijzer. 11. 1.5. Organisatie. 11. 2. Procesbeschrijving verwachting waterdiepte. 12. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3. Stappenplan Globaal stappenplan Korte toelichting op het stappenplan Resultaat in vier dimensies. 12 12 13 14. 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5. Afvoer Afvoerverwachtingen in het algemeen Onzekerheidsinformatie Beschikbare langere-termijnverwachtingen voor Lobith Keuze ten aanzien van te gebruiken afvoerverwachtingen (stap A) Translatie van Ruhrort naar Lobith (stap B). 14 14 15 16 21 22. 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3. Waterstand Verwachting laterale toestromingen en onttrekkingen (stap C) Verwachting waterstanden in de Rijntakken (stap D) Waterstanden naar 2D rooster (stap E). 22 22 24 24. 2.4 2.4.1 2.4.2. Bodemligging Projectie meest recente bodemligging op rooster (stap F) Verwachting bodemligging (stap G). 25 25 28. 2.5 2.5.1 2.5.2. Waterdiepte Bepaling waterdiepte (stappen H en I) Presentatie waterdiepte (stappen J en K). 32 32 33. 3. Toepassing van het stappenplan. 34. 3.1. Inleiding. 34. 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4. Statische waterdiepte Afvoer Waterstand Bodemligging Waterdiepte. 34 34 35 37 38. 3.3 3.3.1 3.3.2. Dynamische waterdiepte Projectie tot bodemvorm-gemiddelde bodemkaart Verwachting bodemligging (stap G). 44 44 46. 5 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(6) 4. Betrouwbaarheid en nauwkeurigheid. 48. 4.1. Inleiding. 48. 4.2. Afvoerverwachting. 49. 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5. Waterstandsverwachting Afvoer - tijdsverschuiving Lateralen Benedenstroomse modelranden Modelonzekerheid Samenvatting. 54 55 55 55 56 56. 4.4. Bodemverwachting. 56. 4.5. Diepteverwachting. 59. 5. Verkenning toepassingswaarde. 60. 5.1. Inleiding. 60. 5.2. Behoefte aan langere termijn verwachtingen. 60. 5.3. Klankbordbijeenkomst. 61. 5.4. Enquête transportsector. 62. 6. Jaarlijkse inspanningen. 64. 7. Conclusies en aanbevelingen. 65. 7.1. Conclusies. 65. 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3. Aanbevelingen Algemene aanbevelingen m.b.t. stappenplan Specifieke aanbevelingen m.b.t. afvoerverwachtingen Specifieke aanbevelingen m.b.t. duinhoogte en bodemligging-verwachtingen. 65 65 66 67. 8. Referenties. 69. A. Communicatie met BfG. 71. B. Memo Voorspellen waterdiepte: morfologie. 73. C. Verslag klankbordbijeenkomst. 87. D. Enquête transportsector. 92. D.1. Vraag 1. 92. D.2. Vraag 2. 94. D.3. Vraag 3. 95. D.4. Vraag 4. 97. D.5. Vraag 5. 99. D.6. Vraag 6. 101. D.7. Vraag 7a en 7b. 102. D.8. Vraag 8. 105. 6 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(7) D.9. 7 van 107. Vraag 9. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020. 106.

(8) 1. Inleiding. 1.1. Aanleiding Tijdens de zomer en herfst van 2018 daalde de afvoer op de Rijn als gevolg van aanhoudende droogte. Hierdoor daalde de waterdiepte en kon niet alle vracht worden vervoerd. Voor enkele bedrijven ontstonden flinke problemen doordat de aan- en afvoer van goederen over water stokte. Vanuit de logistieke sector (verladers, bevrachters) zijn er bij aankomende droogteperiodes maatregelen te nemen om beter te anticiperen op verminderde waterdiepte. De huidige voorspellingen die worden ontsloten betreffen echter geen waterdiepte maar waterstand, en bovendien kijken die niet ver genoeg vooruit om adequate tactische en strategische keuzes te maken. Mogelijk dat ook voor de Landelijke Coördinatiecommissie Waterverdeling (LCW), die actief wordt bij dreigende watertekortsituaties, een verwachting in waterdiepte nuttig is voor het nemen van beslissingen met betrekking tot keuzes in waterverdeling. Met verwachte waterdiepte-informatie over een termijn van 6-8 weken kunnen mogelijk meer tactische en strategische keuzes gemaakt worden door betrokken partijen in de logistieke sector. Als de beschikbare capaciteit voor vervoer van goederen over water binnen een tijdsbestek van enkele weken ingrijpend afneemt, kan deze informatie mogelijk helpen bij het beter afstemmen van de werkprocessen en voorraadbeheersing. Er is geconstateerd dat tijdens langdurige droogteperiodes met lage rivierafvoeren behoefte is aan een verwachting van de waterdiepte op de Nederlandse rivieren voor een langere termijn van 6-8 weken, en in het bijzonder voor de Rijntakken (Boven-Rijn, Waal, Pannerdensch Kanaal, Neder-Rijn, Lek en IJssel). Dit is geconcludeerd door de Beleidstafel Droogte, en er is budget beschikbaar gemaakt vanuit het Deltafonds om te bekijken wat mogelijk is met de bestaande middelen en of dit inderdaad van meerwaarde is voor de logistieke sector en LCW.. 1.2. Opdracht. 1.2.1. Doel Het doel van dit project is drieledig: 1. 2 3 1.2.2. 8 van 107. Verkrijgen van inzicht in de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid waarmee op dit moment, gebruikmakend van bestaande modellen, tools en data- en informatiestromen, een verwachting van de waterdiepte kan worden afgegeven voor de Rijntakken voor een voorspeltermijn van 6-8 weken voor een scenario met (i) een statische bodem en (ii) een dynamische bodem; Verkennen wat de toepassingswaarde is van een verwachting van de waterdiepte; Verkrijgen van inzicht in jaarlijkse inspanningen.. Ruimtelijke afbakening Het onderzoek naar verwachte waterdiepte voor een termijn van 6-8 weken zal zich beperken tot de Rijntakken (Tabel 1-1 en Figuur 1-1). De Lek wordt beschouwd tot Schoonhoven in plaats van tot Krimpen a/d Lek, omdat de ligging van de vaargeul benedenstrooms van Schoonhoven niet beschikbaar is. Voor het scenario met een dynamische bodem is de scope beperkt tot een stuk van de Waal; vanaf de Pannerdensche Kop tot het Maas-Waalkanaal.. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(9) In Tabel 1-1 zijn ook MGD-trajecten weergegeven. In de Rijntakken worden door Rijkswaterstaat ten behoeve van de scheepvaart systematisch peilingen verricht om te bepalen wat de minste waterdiepte in het vaarwater is. De grootste beperking (kleinste diepte binnen de vaargeul) van iedere riviertak wordt gecommuniceerd. Het bekendmaken van deze Minst Gepeilde Diepte (MGD) vindt plaats zodra en zolang deze diepte ergens in de vaargeul een kritische grens onderschrijdt. Sinds augustus 2018 wordt voor de Boven-Rijn/Waal dagelijks op drie trajecten de MGD vastgesteld in plaats van op één. Tussen Lobith en Loevestein zijn meerdere aftakkingen aanwezig, en schepen varen soms maar over een gedeelte van het traject Lobith – Loevestein. Dan is het van belang om te weten wat de beperking (de kleinste / minste diepte) is op alleen dit gedeelte. De MGD-trajecten zoals weergegeven in Tabel 1-1 en Figuur 1-1 worden in deze studie gebruikt. Tabel 1-1. Ruimtelijke afbakening en MGD-trajecten1.. Rijntak. Traject. MGD-traject. Boven-Rijn / Waal. Lobith – Loevestein. 1. Lobith – Maas-Waalkanaal 2. Maas-Waalkanaal – ARK 3. ARK – Loevestein. Pannerdensch Kanaal. Pannerdensche Kop – IJsselkop. Pannerdensche Kop – IJsselkop. Neder-Rijn. IJsselkop – Amsterdam-Rijnkanaal (ARK). 1. IJsselkop – Driel 2. Driel – ARK. Lek. Amsterdam-Rijnkanaal (ARK) – Schoonhoven. 1. ARK – Hagestein 2. Hagestein – Schoonhoven. IJssel. IJsselkop – Ketelmeer. 1. IJsselkop – Twentekanaal 2. Twentekanaal – Zwolle-IJsselkanaal 3. Zwolle-IJsselkanaal – Ketelmeer. —————————————— 1. Volgens de Staatscouranten van 23 mei en 10 juli 2006 zijn de riviervakken waarbinnen de minste waterdiepte wordt gepeild als volgt: Boven-Rijn / Waal Lobith – Loevestein *) Pannerdens Kanaal en Neder-Rijn/Lek **) Pannerden – IJsselkop IJsselkop – Driel Driel – ARK ARK – Hagestein IJssel IJsselkop – mond Twenthekanalen Mond Twenthekanalen – mond Zwolle-IJsselkanaal Mond Zwolle-IJsselkanaal – Ketelmeer *) Dus blijkbaar niet vanaf Millingen, zoals wel gehanteerd op teletekst en vaarweginformatie.nl. Millingen wordt in de Staatscourant wel genoemd, maar dan om aan te geven dat de MGD wordt bekendgemaakt zodra en zolang de gepeilde minste waterdiepte tussen Millingen en Loevestein 350 cm of minder bedraagt. **) Hagestein tot Krimpen a/d Lek of Schoonhoven wordt in de Staatscourant dus niet als officieel MGD-traject genoemd. In deze studie wordt dit traject wel meegenomen.. 9 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(10) Figuur 1-1 Ruimtelijke afbakening en MGD-trajecten.. 1.3. Aanpak Het project bestaat uit 3 doelen (onderdelen), die opgebouwd zijn uit de volgende aspecten: 1. Verkrijgen van inzicht in de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid waarmee op dit moment, gebruikmakend van bestaande modellen, tools en data- en informatiestromen, een verwachting van de waterdiepte kan worden afgegeven voor de Rijntakken voor een voorspeltermijn van 6-8 weken voor een scenario met (i) een statische bodem en (ii) een dynamische bodem: a Het opstellen van een stappenplan / procesbeschrijving om te komen tot een verwachting van de waterdiepte voor de Rijntakken, op basis van bestaande informatie. b Het eenmalig genereren van een verwachting van de waterdiepte voor de Rijntakken aan de hand van het stappenplan (i) voor een scenario met een statische bodem en (ii) een scenario met dynamische bodem. c Het verkrijgen van inzicht in de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid waarmee een voorspelling van 6-8 weken vooruit kan worden gedaan van: • De afvoer bij Lobith, • De waterstand in de Rijntakken bij deze afvoer, • De bodemligging in de Rijntakken, • De waterdiepte in de Rijntakken. Een methodiek of tool voor het voorspellen van bodemligging 6-8 weken vooruit (dynamische bodem) ligt niet kant en klaar op de plank. Op basis van bestaande kennis zijn eerste inzichten voor een methodiek geschetst (onderdeel 1a).. 10 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(11) Dit is toegepast (onderdeel 1b) voor een stukje van de Waal (Pannerdensche Kop tot Maas-Waalkanaal), niet voor alle Rijntakken. Er wordt een kwalitatieve beschouwing gegeven over betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en voorspelkracht (onderdeel 1c), onder andere omdat een kwantitatieve analyse met modelberekeningen onder verschillende condities en periodes buiten de scope van de opdracht vallen. 2. Verkennen wat de toepassingswaarde is van de waterdiepte-verwachting zoals opgesteld in onderdeel 1 voor de Landelijke Coördinatiecommissie Waterverdeling (LCW) en de transportsector. De toepassingswaarde wordt verkend door in gesprek te gaan met zowel collega’s van Rijkswaterstaat (valideren procesbeschrijving: “hoe kan het beste een verwachting worden gemaakt”) als de transportsector (“hoe zou de sector de verwachting kunnen gebruiken”).. 3. 1.4. Verkrijgen van inzicht in de jaarlijkse inspanningen, die benodigd zijn om te allen tijde, zodra daar behoefte aan/aanleiding voor is (een (aankomende) droogte), de procesbeschrijving te kunnen doorlopen.. Leeswijzer De opbouw van het rapport bespreekt de 3 onderdelen achter elkaar. De procesbeschrijving hoe te komen tot een verwachting in waterdiepte in de Rijntakken komt aan bod in hoofdstuk 2. In hoofdstuk 3 wordt het proces eenmalig doorlopen en geïllustreerd. De daaropvolgende hoofdstukken behandelen achtereenvolgens de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid (H4), de verkenning van de toepassingswaarde (H5) en de jaarlijkse inspanningen (H6). Er wordt afgesloten met conclusies en aanbevelingen. In hoofdstuk 2, paragraaf 2.1 wordt eerst het stappenplan globaal gepresenteerd waarmee wordt gekomen tot een verwachting. In de paragrafen erna (§2.2-2.5) volgen achtergronden, overwegingen en waar nodig nadere toelichting bij het stappenplan. Deze toelichtende paragrafen, evenals hoofdstuk 4, zijn bedoeld voor de iets meer ingewijde lezer met kennis van waterstandsmodellering en/of bodemdynamiek. Voor een globaal begrip van de voorgestelde procesbeschrijving is het lezen van enkel paragraaf 2.1 waarschijnlijk voldoende.. 1.5. Organisatie De werkzaamheden zijn uitgevoerd door Matthijs den Toom, Remi van der Wijk, Kees Sloff, Victor Chavarrias, Willem Ottevanger, Anke Becker (review) en Rolien van der Mark (projectleiding). Vanuit Rijkswaterstaat is het project begeleid door Jan Paul Kors, en lazen op de achtergrond Milou Wolters en Arjan Sieben desgevraagd deels mee.. 11 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(12) 2. Procesbeschrijving verwachting waterdiepte. 2.1. Stappenplan. 2.1.1. Globaal stappenplan Dit hoofdstuk beschrijft het proces om te komen tot een verwachting in waterdiepte. In deze paragraaf wordt eerst het stappenplan gepresenteerd waarmee wordt gekomen tot een verwachting in waterdiepte in de Rijntakken. In de paragrafen erna (§2.2-2.5) volgen voor de iets meer ingewijde lezer achtergrond, overwegingen en waar nodig nadere toelichting bij het stappenplan. Iedere stap in het stappenplan wordt in een aparte sub-paragraaf behandeld, en zo’n sub-paragraaf eindigt met een blok met het resultaat van de betreffende stap. Voor een globaal begrip van de voorgestelde procesbeschrijving is het lezen van enkel paragraaf 2.1 inclusief de resultaatblokken van de stappen waarschijnlijk voldoende. In hoofdstuk 3 wordt het proces eenmalig doorlopen en geïllustreerd. Het voorstel is om het onderstaande stappenplan met acties (Figuur 2-1) te doorlopen om te komen tot een verwachting in waterdiepte voor de Rijntakken. Op hoofdlijnen is het proces om de waterdiepte te voorspellen op te delen in vier onderdelen, namelijk: 1 2 3 4. Verwachting in afvoer bij Lobith (§2.2), Verwachting in waterstand in de Rijntakken (§2.3), Verwachting in bodemligging in de Rijntakken (§2.4), Verwachting in waterdiepte in de Rijntakken (§2.5).. Met kleuren is in Figuur 2-1 aangegeven op welke van de vier onderdelen de stap betrekking heeft. De stappen zijn aangegeven met letters A t/m K; in de paragrafen hierna wordt via deze letters naar de stappen verwezen. Er wordt onderscheid gemaakt in een verwachting met “statische bodem” en met “dynamische bodem”. Dat wil zeggen, bij de statische bodem wordt verondersteld dat de bodemligging in de tijd (6-8 weken vooruit) niet verandert, bij de dynamische bodem worden wel morfologische ontwikkelingen meegenomen, en wordt dus een verwachting in bodemligging-ontwikkeling voor 6-8 weken vooruit gemaakt. Het stappenplan voor beide sporen is: • •. Statische bodem spoor: Dynamische bodem spoor: 2-1). stappen A – B – C – D – E – F1 – H – J (rood in Figuur 2-1) stappen A – B – C – D – E – F2 – G – I – K (paars in Figuur. Onze inschatting is dat de hier gepresenteerde procesbeschrijving de meest pragmatische aanpak is, enerzijds uitgaande van bestaande data en modellen, anderzijds uitgaande van een juiste balans tussen verwerkingstijd (o.a. rekentijd) en nauwkeurigheid. Mocht de procesbeschrijving een vervolg of implementatie krijgen, dan is met betrekking tot het voorspellen van de bodemligging 6-8 weken vooruit nog een aanvullende verdiepingsslag nodig. Hiervoor is een eerste voorstel gedaan (namelijk relaxatievergelijking voor duinhoogteontwikkeling), maar of dit de beste aanpak is voor het gewenste doel, zou idealiter nog wat nader onderzoek vragen.. 12 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(13) Figuur 2-1 Stappenplan met acties A t/m K om te komen tot een verwachting in waterdiepte. De rode en paarse route hebben betrekking op de statische en dynamische bodem.. 2.1.2. Korte toelichting op het stappenplan Afvoer Er zijn meerdere bronnen beschikbaar voor de afvoer, op dit moment wordt ingeschat dat de voorspelling van de BfG (Bundesanstalt für Gewässerkunde) voor Ruhrort de beste optie is. Deze voorspelling wordt twee keer per week afgegeven. De voorspeltermijn is 46 dagen en bevat 51 mogelijke realisaties (verschillende, even plausibele scenario’s), die gezamenlijk de bandbreedte in afvoerverwachting bij Ruhrort weergeven. De eerste week liggen de verwachtingen tussen deze 51 realisaties dicht bij elkaar, verder in de toekomst zullen de verschillende scenario’s meer van elkaar afwijken. Waterstand Het tweede onderdeel is het uitrekenen van de waterstanden op de Rijntakken op basis van een hydrodynamisch model (SOBEK3, 1D). Een invoerparameter hiervoor is de afvoer bij Lobith, die eerst op basis van de voorspelling bij Ruhrort wordt afgeleid. Op basis van de afvoer bij Lobith worden ook sets aan toestromingen en onttrekkingen (“lateralen”) bepaald met behulp van de randvoorwaarden-generator (RGWM 1.2.2). De benedenranden van het SOBEK3-model bevatten QH-relaties. Bodem De bodem wordt op basis van de best beschikbare data verrasterd voor het gehele Rijntakken-gebied om een maatgevende bodem voor de scheepvaart te verkrijgen. Dit vergroven van de resolutie is noodzakelijk om kleine morfologische fluctuaties weg te filteren, die niet in detail voorspeld kunnen worden, maar zo wel meegenomen worden aangezien deze kritisch voor scheepvaart kunnen zijn. De bodemkaart is met behulp van relaxatiemodellen en empirische coëfficiënten of een andere aanpak (zoals aangegeven vraagt dit desgewenst nog om nadere uitwerking) te vertalen naar een verwachting van de bodem in te toekomst.. 13 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(14) Waterdiepte Met de uitgerekende waterstanden en bodemkaarten wordt de waterdiepte voor elk van de 51 realisaties (reeksen van de komende 46 dagen) bepaald voor de gehele Rijntakken. dit gebeurt door voor ieder tijdstip in de reeks de waterstand en bodemligging van elkaar af te trekken. Per MGD-traject wordt vervolgens de minste diepte weergegeven binnen de vaargeul. Het stappenplan “statische bodem” is volledig uitgewerkt en eenmalig toegepast voor al de Rijntakken. Bij een komende droogteperiode kan dit vrij eenvoudig doorlopen worden zodra de BfG de meest recente verwachtingsreeksen bij Ruhrort levert. Indien een verwachting met dynamische bodem gewenst is, zal dit nog nader uitgewerkt moeten worden. Er wordt in het gehele proces gebruikgemaakt van verschillende tools, scripts en databronnen. Op dit moment is het proces uit Figuur 2-1 niet geautomatiseerd, niet uit te voeren met een druk op een knop (dit was ook geen onderdeel van de opdracht). Waarschijnlijk zal het daarom nu nog nodig zijn om de hulp van Deltares in te schakelen wanneer het gewenst is het stappenplan tijdens een komende droogteperiode te doorlopen. 2.1.3. Resultaat in vier dimensies Er wordt gebruik gemaakt van 51 mogelijke afvoertijdreeksen van 46 dagen (zie hierna voor nadere toelichting). Dit resulteert in 51 tijdreeksen voor lateralen, waterstanden en waterdieptes. Doordat de waterdiepte geprojecteerd wordt op een tweedimensionaal (2D) rooster, wordt er voor iedere tijdstap een diepteveld gegenereerd. Concreet betekent dit, als ieder uur wordt uitgevoerd, dat er meer dan 56.000 dieptevelden voor iedere riviertak gegenereerd worden, voor alléén het statische bodem spoor. De gegenereerde diepteverwachting is in feite een vierdimensionale parameter, aangezien er dieptevariaties zijn in ruimte (x,y) en tijd (t) en bandbreedte door onzekerheid (de 51 mogelijke realisaties). Vanwege de grote hoeveelheid gegenereerde data en de meerdere dimensies vraagt de wijze van presentatie de nodige aandacht.. 2.2. Afvoer. 2.2.1. Afvoerverwachtingen in het algemeen De totstandkoming van afvoerverwachtingen is in de basis geënt op proces-gebaseerde modellen. Daarbij wordt in het algemeen gewerkt met een combinatie van hydrologische en hydrodynamische modellen. Een hydrologisch model vormt de schakel tussen het water in de atmosfeer en het oppervlaktewater. Het representeert processen zoals verdamping, de opbouw en smelt van sneeuw, infiltratie in de bodem en afstroming naar het oppervlaktewater over het land en via de ondergrond. Deze representatie is veelal conceptueel van aard, en voor de meeste processen zijn verschillende concepten voorgesteld. Er zijn dan ook veel verschillende ‘smaken’ hydrologische modellen. Een hydrologisch model bestaat uit een verzameling gebiedseenheden (een raster of een verzameling deelstroomgebieden) die gezamenlijk een stroomgebied bedekken. Voor elk van deze eenheden zijn er binnen het gekozen concept typisch meerdere parameters (ongeveer 5-20) te kalibreren. Met een hydrodynamisch model wordt het gedrag van oppervlaktewater gesimuleerd. In het geval van de afvoer bij Lobith betreft het de routering van de bovenstrooms door het hydrologische model gegenereerde afvoer. Van hydrodynamische modellen bestaan verschillende varianten die van elkaar verschillen in complexiteit. In de meest complexe modellen is de werkelijke krachtenbalans goed gerepresenteerd en worden afvoeren en waterstanden op een fijnmazig rooster (tientallen tot honderden meters) berekend.. 14 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(15) In de software voor hydrologisch modelleren is over het algemeen een simpeler hydrodynamisch model opgenomen (bijvoorbeeld Muskingum-Cunge; Todini, 2007). Daarin zijn aannames gedaan die een grove ruimtelijke resolutie (tientallen kilometers) mogelijk maken. In de hieronder besproken opties voor langere-termijn afvoerverwachtingen bij Lobith is steeds sprake van een simpel hydrodynamisch model. Het genereren van verwachtingen verschilt in een belangrijk aspect van het draaien van historische simulaties voor bijvoorbeeld onderzoeks-, beleids- of vergunningsdoeleinden. In een operationele context heeft het moment ‘nu’, ofwel T0, een speciale betekenis. De toestand van het systeem tot en met T0 is namelijk deels bekend uit observaties, terwijl de evolutie na T0 alleen met modellen te voorspellen is. De begintoestand is daarom medebepalend voor de nauwkeurigheid van een verwachting. Om die reden loont het om data-assimilatie toe te passen in een operationele context om de begintoestand beter in overeenstemming te brengen met metingen. 2.2.2. Onzekerheidsinformatie Bij het opstellen van een verwachting is het doel de onzekerheid over wat komen gaat te verkleinen. Deze wegnemen is echter onmogelijk. Wanneer een verwachting dus informatie geeft over de mate waarin deze onzeker is, neemt de waarde van de verwachting toe. De rijkste implementatie hiervan staat toe om over- of onderschrijdingskansen te bepalen voor het optreden van bepaalde gebeurtenissen: een zogenoemde probabilistische verwachting. Hiermee wordt het mogelijk om de bij een gebeurtenis behorende voordelen of schade te wegen met de kans op het optreden ervan. Het wordt voor beslissers dan dus mogelijk een risicoschatting te maken (Den Toom, 2018). Voor verwachtingen van de afvoer bij Lobith met een zichttijd van zes tot acht weken blijkt dat de onzekerheid erin dermate groot is, dat een deterministische verwachting nauwelijks waarde heeft. De beschikbare verwachtingen zijn dan ook zonder uitzondering probabilistisch van aard. Er zijn ruwweg twee manieren om onzekerheidsinformatie toe te voegen aan een verwachting. De eerste betreft het gebruik van ensemble-technieken. Daarbij wordt niet één simulatie van de toekomst gedaan, maar wordt een pluim van even waarschijnlijke, fysisch plausibele voorspellingen gemaakt. Uit zo’n pluim kan een kans worden afgeleid door simpelweg het aantal leden van het ensemble te tellen dat aan de conditie voldoet waarvoor de kans gevraagd wordt. Deze methode is in de meteorologie al tientallen jaren gangbaar. De tweede manier is om deterministische modelresultaten achteraf te verrijken (en eventueel te corrigeren) op basis van een statistische beschrijving van de modelfout in het verleden. Het nabewerkte modelresultaat heeft dan voor elk tijdstip de vorm van een waarschijnlijkheidsverdeling. Bij gebruik van ensemble-technieken is de kwaliteit van de verwachting een aandachtspunt. In geval van een probabilistische verwachting wordt deze in de eerste plaats afgemeten aan de mate van nauwkeurigheid. Daarbij gaat het om de vraag of de verwachte kans van optreden van een bepaalde gebeurtenis klopt met de gemeten werkelijkheid achteraf, gemiddeld over een groot aantal verwachtingen. In de tweede plaats wordt een goede probabilistische verwachting gekenmerkt door een zo scherp mogelijke kansverdeling. In beide gevallen wordt meestal de klimatologie als referentie gehanteerd. In de hydrologie worden de resultaten van ensemble-technieken typisch gekenmerkt door systematische fouten en een te geringe spreiding. Bij verrijking achteraf is dit minder problematisch. Een beperking van statistische nabewerking is echter dat dynamische informatie verloren gaat. Uit de in de tijd opeenvolgende waarschijnlijkheidsverdelingen kan geen fysisch plausibel tijdsverloop gereconstrueerd worden.. 15 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(16) Voor het berekenen van waterdieptes benedenstrooms van Lobith is dit een belangrijk aandachtspunt, omdat de verwachte afvoer bij Lobith daarvoor als randvoorwaarde dient. Als voor Lobith geen fysisch plausibel tijdsverloop beschikbaar is, heeft het geen zin voor het berekenen van waterdiepte een dynamisch model te gebruiken 2. Niet-dynamische afvoeren zijn alleen bruikbaar als voor de waterdiepteberekening een valide statisch model voorhanden is. 2.2.3. Beschikbare langere-termijnverwachtingen voor Lobith Voor een verwachting van de afvoer bij Lobith op een termijn van 6 tot 8 weken zijn verschillende bronnen beschikbaar. De volgende leveranciers zijn bij Deltares bekend: •. • •. • •. BfG (Bundesanstalt für Gewässerkunde): Duits federaal instituut, onder andere belast met het uitvoeren van onderzoek naar het verbeteren van verwachtingen ten behoeve van de scheepvaart. EFAS (European Flood Awareness System): Europees consortium, belast met het uitgeven van overstromingswaarschuwingen. RWsOS (Rijkswaterstaat – Samenhangende Operationele Systemen): Het instrumentarium van Rijkswaterstaat (RWS) voor het maken van verwachtingen voor het hoofdwatersysteem (waterstanden, debiet, golven en stroming). SMHI (Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut): De Zweedse overheidsinstantie voor meteorologie en hydrologie. UU (Universiteit Utrecht): De vakgroep van droogte-expert Niko Wanders.. Een overzicht van de karakteristieken van de betreffende verwachtingen (zoals bekend op moment van schrijven; alle partijen ontwikkelen door) is te vinden in Tabel 2-1. Aan de hand hiervan is overwogen in hoeverre de verschillende afvoerverwachtingen toepasbaar zijn voor het berekenen van waterdiepteverwachtingen. Bij die overweging zijn twee aspecten meegenomen. In de eerste plaats is dat de inhoudelijke kwaliteit van de verwachting. Daarbij wordt opgemerkt dat deze niet kwantitatief geëvalueerd is, maar dat de beoordeling gebaseerd is op expertkennis. In de tweede plaats is gekeken naar de vorm waarin de verwachtingen beschikbaar zijn. Voor wat betreft het aspect inhoudelijke kwaliteit wordt het verschil tussen de producten gemaakt door de gebruikte modellen, de begintoestand en meteorologische forcering. Uit Tabel 2-1 wordt duidelijk dat in elk product een ander hydrologisch model gebruikt wordt. Het voert te ver om de achterliggende concepten hier met elkaar te vergelijken, vooral omdat de uiteindelijke prestatie van het model niet alleen van het concept maar ook van de kalibratie afhankelijk is. Dat betekent dat een zinnig vergelijk kwantitatieve analyse vraagt, wat buiten het kader van dit werk valt. Voor verdere details ten aanzien van de modellen wordt daarom naar de referenties verwezen. In relatie tot bovenstaande is het wel belangrijk op te merken dat UU een aanpak hanteert met vier modellen, terwijl de overige producten op een enkel hydrologisch model gebaseerd zijn. De UU-aanpak is zinvol, omdat geen enkel model alle hydrologische fenomenen goed zal representeren. Door de inzet van meerdere modellen is de onzekerheid in de verwachting ten gevolge van de modelformulering (in elk geval ten dele) afgedekt. —————————————— 2. Ook als geen tijdsverloop gewenst is voor waterdiepte, maar alleen statistiek daarvan, is de afwezigheid van dynamische randvoorwaarden funest. Bijvoorbeeld: de gemiddelde waterdiepte op basis van dynamische afvoer verschilt van de waterdiepte op basis van de gemiddelde afvoer. De reden hiervan is dat de dynamica van waterdiepte (en waterhoogte) niet-lineair is. Aanpassing van de volgorde van bewerkingen heeft in dat geval een andere betekenis en geeft een ander resultaat.. 16 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(17) Behalve in concept verschillen de hydrologische modellen van elkaar in ruimtelijke representatie en in de temporele resolutie. De relatief fijnmazige raster-gebaseerde modellen hebben ten opzichte van modellen op basis van deelstroomgebieden het voordeel dat de ruimtelijke verdeling van neerslagpatronen beter tot uiting komt in het afvoerverloop. Gezien de onzekerheid in de neerslag op een termijn van 6 tot 8 weken lijkt dit niet doorslaggevend. Hetzelfde kan gezegd worden voor de temporele resolutie, die tussen de modellen varieert tussen 1 uur en 1 dag. Ook in de modellering van de hydrodynamica ontlopen de producten elkaar weinig. In alle producten wordt gebruikgemaakt van een vereenvoudigde voorstelling van de afvoerroutering. In de behandeling van de begintoestand is eveneens geen sprake van noemenswaardige verschillen. De modeltoestand van waar de verwachting start is in alle gevallen het resultaat van een historische simulatie. Er wordt dus geen data-assimilatie gebruikt. Verder is de initiële conditie steeds deterministisch van aard. In de verwachtingen werkt de onzekerheid in de begintoestand dan ook niet door. Op het vlak van meteorologische forcering onderscheiden de producten zich wel duidelijk. De eerste implementaties (in de jaren '70) van op hydrologische modellen gebaseerde langetermijn afvoerverwachtingen waren gebaseerd op een methode die bekend staat als Ensemble Streamflow Prediction (ESP; Twedt e.a., 1977). De producten van de BfG en de UU bevatten ook resultaten op basis van ESP. Hierbij wordt de forcering gevormd door een ensemble samen te stellen uit historische neerslagreeksen. De nauwkeurigheid is in dat geval volledig afkomstig uit de hydrologische begintoestand 3. Voor de daggemiddelde afvoer in de Rijn heeft ESP voor zichttijden groter dan ongeveer een maand niet meer nauwkeurigheid dan de afvoerklimatologie (Meißner e.a., 2017). Anders dan bij het ontstaan van ESP zijn inmiddels ook lange-termijn meteorologische verwachtingen beschikbaar. Hierin zijn twee varianten te onderscheiden: •. •. ‘Extended verwachtingen’: Het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECWMF) gebruikt voor de reguliere weervoorspelling een ensemblemodel waarbij de zichttijd 15 dagen bedraagt. Tweemaal per week worden deze simulaties (gebruikmakend van een half zo fijne resolutie) verlengd tot 46 dagen zichttijd. Deze verwachting wordt aangeduid als ECWMF-ENS extended4 en wordt toegepast in de producten van de BfG, UU en EFAS. Seizoensverwachtingen: Dit gaat om verwachtingen met een zichttijd van 6 maanden of meer. Vergeleken met reguliere weervoorspellingen is de resolutie van de hiervoor gebruikte modellen grover; voor de dataset van het ECWMF (SEAS5) bijvoorbeeld half zo fijn. Verder worden dit soort verwachtingen meestal maar een keer per maand gedraaid. In de producten van EFAS, SMHI en UU worden seizoensverwachtingen toegepast.. Bij het gebruik van lange-termijn meteorologische verwachtingen moet bedacht worden dat voorspellingen van uurgemiddelde neerslag, die voor het weerbericht van belang zijn, niet nauwkeurig zijn voor zichttijden langer dan 10 dagen (voor temperatuur en straling is dat langer; Van Osnabrugge, 2019).. —————————————— 3. Dit kan met de volgende voorbeelden begrepen worden: Als een stroomgebied op dit moment relatief nat is, zal de afvoer de komende tijd relatief hoog zijn. Idem als er voor het begin van het smeltseizoen veel sneeuw ligt. 4 Zie verder https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/set-vi 5 Zie verder https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/set-v. 17 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(18) Dat lange-termijn meteorologische verwachtingen toch nauwkeurigheid kunnen toevoegen aan hydrologische verwachtingen, komt doordat in meteorologische modellen ook trager verlopende processen (in de interactie tussen atmosfeer en land/zee) gerepresenteerd zijn. Die nauwkeurigheid wordt pas zichtbaar door de snelle dynamica ten gevolge van het individuele weersysteem weg te filteren en alleen naar langere periodes te kijken, bijvoorbeeld week- of maandgemiddelde afvoeren. Meteorologische modellen hebben last van systematische fouten. Het is mogelijk hiervoor (deels) te corrigeren, waardoor de nauwkeurigheid van de hydrologische verwachting verbeterd kan worden. Alleen door BfG wordt een dergelijke correctie toegepast. In het product van de UU worden meerdere meteorologische modellen toegepast, zodat deze voor elkaars fouten kunnen compenseren. Naast de inhoud is ook de vorm van de afvoerverwachting van belang voor de toepasbaarheid. Hierin zijn grote verschillen te zien tussen de producten, die deels verklaard worden uit inhoudelijke overwegingen. Hier zal gekeken worden naar de vorm van het eindproduct, de zichttijd van de verwachting en tijdresolutie. In de vorm van het eindproduct zijn ruwweg drie categorieën te onderscheiden: •. •. •. Afvoerpluim: een ensemble bestaande uit 51 fysisch plausibele afvoertijdreeksen. Deze vorm wordt gehanteerd door RWsOS en SMHI. Uit de presentatie van Fleischer e.a. (2020) blijkt dat bij de BfG de afvoerpluim als tussenproduct voorhanden is. Zoals hierboven aangegeven is een dynamische uitvoer noodzakelijk als voor waterdiepte met een dynamisch model verder gerekend wordt. Boxplot (of snorredoos): een discretisatie van de kansverdeling voor de verwachte afvoer, waarin de 5%, 25%, 50%, 75% en 95% percentielen zijn aangegeven. Een percentielwaarde van X% wil daarbij zeggen dat er een kans van X% is dat de gegeven afvoer onderschreden wordt. Het 50%-percentiel heet ook wel mediaan. Deze vorm wordt gehanteerd door BfG en EFAS. Met deze vorm is dus niet verder te rekenen met een dynamisch model. Verder is de discretisatie van de kansverdeling erg grof. Ook als een statistisch model voor waterdiepte zou volstaan, kan de onderschrijdingskans voor een bepaalde kritische waterdiepte alleen door interpolatie benaderd worden. Kwintielverwachting: een kansverdeling in vijf klassen, waarbij de grenswaarden op basis van een klimatologie gedefinieerd zijn en voor elke tijdsstap verschillen. Anders dan bij de boxplot zijn in dit geval de afvoeren gegeven (als functie van de tijd) en de kansen variabel. Deze vorm wordt gehanteerd door de BfG en de UU. Ook in dit geval is niet verder te rekenen met een dynamisch model en zou bij beschikbaarheid van een statisch model een onderschrijdingskans benaderd moeten worden. Ten opzichte van de boxplot is dat mogelijk lastiger, omdat de kritische waterdieptes voor varen waarschijnlijk corresponderen met een afvoer die lager is dan de afvoer die in 20% van de tijd onderschreden wordt. Voor het berekenen van de onderschrijdingskans van die waterdiepte zou dan dus extrapolatie nodig zijn. Dat lukt bijvoorbeeld niet als de verwachte afvoer zeker (100%) in de laagste categorie valt. Verder is sprake van een belangrijk verschil tussen BfG en UU: De BfG baseert de grenswaarden op een historische afvoerreeks, terwijl de UU de historische simulatie als referentie gebruikt. Voor de UU is er dus geen koppeling met werkelijk gemeten afvoeren.. Voor de waterdiepteverwachtingen wordt gevraagd om een zichttijd van 6 tot 8 weken. De verwachtingen van BfG en RWsOS hebben beide een zichttijd van 46 dagen, oftewel zes-enhalve week. Zowel de BfG als RWsOS geven tweemaal per week een nieuwe verwachting uit, zodat de effectieve zichttijd minimaal zes weken bedraagt.. 18 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(19) In EFAS wordt een zichttijd van 8 weken gehanteerd6. De producten van SMHI en UU geven informatie tot 6 maanden vooruit. Daarbij valt op dat het product van SHMI gebaseerd is op de meteorologische verwachting van meer dan een maand geleden. Tot slot verschilt de temporele resolutie aanzienlijk tussen de producten. Alle producten behalve RWsOS hanteren een tijdstap van een week of langer. De reden dat voor deze presentatie gekozen is, is dat voor fijnere tijdstappen geen nauwkeurigheid te verwachten is. Nadeel is echter dat het aandrijven van een dynamisch waterdieptemodel met dergelijke tijdstappen geen zin heeft.. —————————————— 6. 19 van 107. Daartoe wordt de ECMWF ENS extended verwachting aangevuld met ECWMF SEAS.. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(20) Tabel 2-1. Overzicht bekende bronnen voor lange-termijn afvoerverwachting Lobith.. Bron. BfG. EFAS. RWsOS. SMHI. UU. Referentie. Meißner e. a, 2017 Fleischer e.a., 2020. Arnal e.a., 2018 Wetterhall en Di Giuseppe, 2018. Zie helpdesk water, RWsOS. -. Wanders e.a. 2019. Status. Pre-operationeel. RWS ontvangt eindproduct (pdf) per e-mail. Operationeel. RWS participeert in EFAS, maar bij Deltares is onbekend of RWS over de seizoensverwachtingen kan beschikken. Draait operationeel bij Rijkswaterstaat, als “pilot”toepassing. Gegevens beschikbaar via https://matroos.rws. nl. Operationeel. Gegevens beschikbaar via https://hypeweb.s mhi.se/explorewater/forecasts/s easonalforecasts-europe/. Op het moment van schrijven nog niet beschikbaar. Operationalisering wordt voorbereid. Wens tot inlezen in RWsOS is geïdentificeerd.. Hydrologisch model. LARSIM-Mittel Europa (raster-gebaseerd met 5 km resolutie; dagtijdstappen).. Lisflood (raster gebaseerd met 5 km resolutie, dagtijdstappen). HBV (representatie in deelstroomgebieden; uurtijdstappen). HYPE (representatie in deelstroomgebieden; waarschijnlijk dagtijdstappen). Multi-model ensemble van 4 leden: mHM, NoahMP, PCR-GLOBWB en VIC (rastergebaseerd met 5 km resolutie; dagtijdstappen, behalve Noah-MP die 3-uur hanteert). Meteorologische forcering. ECMWF-ENSextended met bias/drift correctie (51 leden). ECMWF-ENS extended (51 leden). ECMWF-ENS extended (51 leden). ECMWF-SEAS (51 leden). ESP (51 leden). ECMWF-SEAS (51 leden). 4 ensemble seizoensverwachtingen: CanCM4 (10 leden), GFDLFLOR (12 leden), ECMWF-SEAS (15 leden) en MétéoFrance LFPW (15 leden) ESP (15 leden). Eindproduct. Kansverdeling in vijf klassen, gerefereerd aan metingen7 Boxplots voor afvoer (5%, 25%, 50%, 75%, 95%). Boxplots voor afvoer (5%, 25%, 50%, 75%, 95%). Afvoerpluim (51 leden). Afvoerpluim (51 leden). Kansverdeling in vijf klassen, gerefereerd aan simulaties8. Zichttijd. 46 dagen, elke maandag en donderdag. 8 weken, 2x/week voor ECWMF-ENS extended, maandelijks voor ECMWF-SEAS. 46 dagen, elke dinsdag en vrijdag. 6 maanden. 6 maanden, elke 1e van de maand. Tijdresolutie. 1 week. 1 week. 1 uur. 1 maand. 1 maand. Bijzonderheden. Uit de presentatie van Fleischer e.a. (2020) blijkt dat ook de afvoerpluim als tussenproduct bestaat en niet alleen daarvan afgeleide kansen. Simpele correctie (constant in de tijd) van ruwe modelresultaten om ze te laten aansluiten bij de laatste meting. Huidige verwachting is gebaseerd op meteorologie van meer dan 1 maand oud. —————————————— 7. Grenzen van de klassen verschillen per week en zijn zo gekozen dat elke klasse even waarschijnlijk is, gegeven de historisch gemeten afvoeren. 8 Grenzen van de klassen verschillen per maand en zijn zo gekozen dat elke klasse even waarschijnlijk is, gegeven de door elk model historisch gesimuleerde afvoeren.. 20 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(21) 2.2.4. Keuze ten aanzien van te gebruiken afvoerverwachtingen (stap A) Het heeft de voorkeur om de afvoerverwachtingen als randvoorwaarde op te leggen aan een dynamisch model, want hiermee is het mogelijk om het tijdsverloop in waterdiepte te visualiseren. Een eindproduct in de vorm van kansverdeling in vijf afvoerklassen is een erg grove opdeling, waarmee onderscheid in kritische waterdiepte binnen de laagste afvoerklasse niet te maken valt. Op zich is een opdeling in klassen of percentielen verstandig, omdat met dynamische reeksen een schijnnauwkeurigheid kan ontstaan. Maar dan ligt het meer voor de hand om in ons geval die opdeling uit te voeren op de waterdiepte in plaats van op de afvoer. Dit betekent dat beschikbaarheid van een afvoerpluim sterk geprefereerd wordt. Volgens Tabel 2-1 wordt een afvoerpluim met 51 leden aangeboden door RWsOS, SMHI en de BfG (de laatste niet direct voor ons vrij te downloaden, maar pluim bestaat wel). Op basis van expertkennis, eigen ervaringen en voorgaande vergelijking wordt geconcludeerd dat inhoudelijk de verwachting van de BfG momenteel aantrekkelijker is dan die van RWsOS. SMHI biedt een sterk verouderde verwachting met grove resolutie. De BfG-verwachting heeft momenteel de voorkeur als zij bereid zijn de afvoerreeksen (tussenproduct) aan ons beschikbaar te stellen. Er is derhalve contact geweest met de BfG (Dennis Meißner en Bastian Klein), en zij stellen zich zeer flexibel, prettig en behulpzaam op. Ze hebben aangegeven er geen problemen in te zien om de onderliggende afvoer ensemble data van hun 6-weken verwachting met ons te delen, zelfs ook op operationele basis (Bijlage A). Dit zou een uitwerking kunnen zijn van de bestaande samenwerkingsovereenkomsten (MoU) tussen BfG en RWS en tussen BfG en Deltares9. Op dit moment zijn ook ensemble reeksen van Lobith onderdeel van hun systeem, alleen worden deze niet opgeslagen en zijn die nog zonder correctie vanwege gebrek aan meetdata. Ze geven aan dat dit in de toekomst zou kunnen worden toegevoegd. Mocht na deze studie blijken dat er vanuit RWS behoefte is aan een structurele of operationele datalevering van de afvoerverwachting, dan verdient het aanbeveling dat RWS hierover concrete (contractuele) afspraken maakt met de BfG. Conclusie Zodra het gewenst is het stappenplan te doorlopen om een verwachting in waterdiepte te genereren, dienen de meest recente afvoerrealisaties bij Ruhrort (dichtst bij Lobith) te worden opgevraagd bij de BfG. Deze worden aangeleverd als netcdf file. Hiermee kan een verwachting in waterdiepte gemaakt worden voor 42 tot 46 dagen vooruit (dus 6 weken en enkele dagen)10. Vanzelfsprekend geldt dat altijd kan worden besloten, om uiteenlopende redenen, om toch de RWsOS afvoerrealisaties te gebruiken in het genereren van een diepteverwachting. Toekomstige ontwikkelingen of praktische argumenten kunnen aanleiding zijn om af te wijken van het hier gepresenteerde stappenplan. Op dit moment is ons advies op inhoudelijke grond om de data van de BfG te kiezen.. —————————————— Formeel zijn de MoU’s afgelopen, er wordt gewerkt aan nieuwe versies die begin volgend jaar ondertekend worden. 10 Als op maandag een verzoek om data richting de BfG gaat, is de meest recente beschikbare verwachting van de donderdag ervoor; de verwachting is dan geen 46 maar 42 dagen vooruit. 9. 21 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(22) Resultaat van stap A 51 ensemble afvoertijdreeksen voor Ruhrort, lengte van de reeks 42 tot 46 dagen vooruit, waarmee de afvoerreeksen bij Lobith kunnen worden afgeleid.. 2.2.5. Translatie van Ruhrort naar Lobith (stap B) Dynamische modellen van de Rijntakken hebben de bovenstroomse randvoorwaarde bij Lobith. Er dient dus een translatie plaats te vinden van Ruhrort naar Lobith. De gemeten afvoer van Ruhrort ligt ongeveer even vaak boven die van Lobith als eronder (zie Figuur 2-2 voor een willekeurige periode ter illustratie). Een correctie op de afvoer is niet nodig. Een tijdverschuiving lijkt wel zinvol. De beste correlatie wordt verkregen bij een verschuiving van 16 en 17 uur. Het voorstel is daarom om een tijdverschuiving van 16 uur toe te passen op de afvoerrealisaties.. Resultaat van stap B 51 ensemble afvoertijdreeksen voor Lobith, lengte van de reeks circa 41 tot 45 dagen vooruit, die als invoer dienen voor het SOBEK3 waterstandsmodel.. Figuur 2-2 Gemeten afvoer bij Ruhrort en Lobith voor een willekeurig gekozen periode.. 2.3. Waterstand. 2.3.1. Verwachting laterale toestromingen en onttrekkingen (stap C) Alvorens met een hydrodynamisch model van de Rijntakken de waterstanden berekend kunnen worden aan de hand van de afvoerrealisaties, worden eerst de laterale toestromingen en onttrekkingen bepaald. Deze zijn, naast de afvoer bij Lobith, invoer voor het hydrodynamische model.. 22 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(23) Op meerdere punten langs de Rijntakken wordt er water onttrokken uit de rivier richting andere wateren. Deze onttrekkingen zijn afhankelijk van de watervraag en beïnvloeden de hydrodynamica in de rivier en daarmee ook de waterstand en waterdiepte. Bij een langetermijn voorspelling is het daarom zaak om ook de lateralen te voorspellen. Verwaarlozing hiervan, vooral bij lage afvoer, kan van grote invloed zijn op de waterstanden. Zoals benoemd zijn de lateralen afhankelijk van de watervraag en beschikbare hoeveelheid water. Ten tijde van droogte wordt er geprobeerd om het water zo effectief mogelijk te sturen naar gelang de laatste omstandigheden. Dit betekent dat de lateralen zijn in te schatten op basis van bestaande systeemkennis, historie en waterakkoorden, maar dat de exacte waterverdeling hier van af kan wijken. Opties Er zijn enkele opties voor het bepalen van de lateralen op basis van een gegeven afvoerverwachting bij Lobith: •. •. •. Stationaire lateralen, gegeven de afvoer bij Lobith: Op basis van bestaande relaties zijn de belangrijkste lateralen te bepalen. Dit is een eenvoudige en transparante aanpak en kan in een later stadium worden uitgebreid. Het nadeel is dat hiervoor een apart script moet worden opgezet om de bestaande relaties op te nemen wat uiteindelijk arbeidsintensief kan worden zonder dat alle kennis en voorspellingen meegenomen worden. Gebruik van de Randvoorwaarden-Generator Water-Modellen (RGWM): De randvoorwaarden-generator is in 2018 en 2019 opgezet om hydrodynamische modellen te voorzien van randvoorwaarden en vervangt de Lateralen Afvoer Generator (LAG). Op basis van tijdreeksen van de afvoer zijn andere lateralen af te leiden met behulp van verschillende relaties. Deze relaties kunnen tijdverschuivingen en seizoensfluctuaties meenemen in het bepalen van de lateralen in een zelf op te stellen invoerbestand. Gebruik van de actuele situatie en voorspellingen voor lateralen: Het nadeel van vooraf opgestelde relaties is dat de actuele situatie niet wordt meegenomen. Enkele belangrijke lateralen worden gemeten en zijn beschikbaar bij Rijkswaterstaat. De instelling van de belangrijkste stuurknoppen van het watersysteem en daarmee de waterverdeling is niet geheel onbekend in de nabije toekomst. Idealiter wordt deze kennis meegenomen in de voorspelling of worden de relaties aangepast op basis van de actuele situatie. Hier kan ook worden gedacht aan hydrologische modellen die een voorspelling geven van de watervraag.. Voor nu is het gebruik van de randvoorwaarden-generator (RGWM) de beste en gekozen optie. Dit is een kant en klare tool waarmee op basis van kennis van hydrologische experts de belangrijkste relaties zijn opgesteld om de lateralen af te leiden. In een later stadium kan dit proces eventueel worden uitgebreid met gegevens over de actuele situatie, hiervoor is nu nog geen methodiek beschikbaar. De lateralen zoals afgeleid met de RGWM op basis van de afvoer bij Lobith zijn direct op te nemen in een hydrodynamisch model voor de Rijntakken. Iedere Lobith afvoertijdreeks (51 in totaal) levert een set aan lateralen (meerdere toestromingen). Het resultaat van stap C is dus 51 sets aan lateralen. In theorie is het mogelijk om (net zoals bij de totstandkoming van de afvoertijdreeksen) onzekerheidsinformatie aan de verwachte lateralen toe te voegen, door niet één set te creëren per afvoertijdreeks, maar meerdere door de invoer te variëren binnen realistische grenzen. Daar is nu niet voor gekozen, omdat dit zal leiden tot een exponentiele toename aan simulaties.. 23 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(24) Resultaat van stap C 51 sets aan lateralen, afgeleid met de randvoorwaarden-generator (RGWM) met behulp van de 51 afvoertijdreeksen voor Lobith en die als invoer dienen voor het SOBEK3 waterstandsmodel.. 2.3.2. Verwachting waterstanden in de Rijntakken (stap D) De verwachte waterstanden kunnen met behulp van een hydrodynamisch model met actuele bodemligging bepaald. Voor de Rijntakken zijn de volgende modellen beschikbaar: • •. 1D model (SOBEK3 schematisatie j19_5-v1), zoals het draait onder RWsOS voor de voorspelling van waterstanden, 2D-model (WAQUA 5e generatie, schematisatie j19_5-v1 of Delft3D (DVR) model).. Een voordeel van een 2D-model is dat er 2D-informatie over waterstanden uit komt, die eenvoudig gecombineerd kan worden met een 2D-bodemligging mits de 2D-roosters hetzelfde zijn. Het WAQUA-model is echter niet op laagwater gekalibreerd, en het Delft3Dmodel is primair ontwikkeld en gekalibreerd om lange-termijn morfologische ontwikkeling te voorspellen. Op dit moment wordt er gewerkt aan een nieuw 2D-model in D-HYDRO, dat wel op laagwater gekalibreerd zal worden. Het SOBEK3-model is wel op laagwater gekalibreerd (laagwater 2011, met een afvoer van ongeveer 1.000 m³/s). Verder wordt een dwarsverhang op de rivier door het WAQUA-model berekend, en niet door het SOBEK3-model. Naar verwachting is de onzekerheid in de modelinvoer (afvoeren) op zo’n lange termijn duidelijk groter dan het verschil in nauwkeurigheid tussen de verschillende modellen. Rekentijden zijn van belang, aangezien 51 simulaties uitgevoerd dienen te worden. De rekentijd van het SOBEK3-model is aanzienlijk korter (orde minuten) dan van het WAQUAmodel (orde meerdere uren). Voor het draaien van het WAQUA-model is enige rekeninfrastructuur nodig (een rekencluster om parallel te kunnen draaien). Er is daarom gekozen voor gebruikmaking van het SOBEK3-model. De benedenstroomse randen van het model bevatten QH-relaties.. Resultaat van stap D 51 waterstandsreeksen voor iedere rivierkilometer in de Rijntakken, berekend met behulp van het SOBEK3 waterstandsmodel.. 2.3.3. 24 van 107. Waterstanden naar 2D rooster (stap E) De met SOBEK2 berekende waterstanden worden op een tweedimensionaal rooster geprojecteerd, zodat later in het proces de waterstand en bodem van elkaar kunnen worden afgetrokken waarmee de waterdiepte wordt verkregen. Hiervoor wordt hetzelfde rooster gebruikt als voor de projectie van de bodem in stap F. De bodemdynamiek bepaalt de eigenschappen van het rooster, dus dit wordt nader behandeld bij stap F (§2.4.1).. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(25) De invulling van de roostercellen met waarden gebeurt door in langsrichting te interpoleren tussen de kilometerpunten en in dwarsrichting de waterstand constant te veronderstellen. Vooral in bochten kan de waterstand over de breedte variëren. Door dit te verwaarlozen wordt een fout van maximaal een beperkt aantal centimeters gemaakt (zie ook de afweging WAQUA/Delft3D versus SOBEK3; afweging tussen nauwkeurigheid en rekentijd en ”modelleergemak”).. Resultaat van stap E Voor iedere tijdstap in de 51 tijdreeksen een tweedimensionale waterstandskaart van de Rijntakken.. 2.4. Bodemligging. 2.4.1. Projectie meest recente bodemligging op rooster (stap F) Voor de vastlegging van de bodemligging in de Rijntakken wordt gebruik gemaakt van gemeten data. Er zijn momenteel drie opties voorhanden: •. •. •. Een actuele hoge-resolutie multibeam-beheerpeiling (BP): deze peilingen worden tweewekelijks opgenomen als onderdeel van het huidige bagger-onderhoudscontract en geven nagenoeg een momentopname van de bodemligging in de vaargeul. Voor het nieuwe onderhoudscontract wordt de frequentie van deze peiling waarschijnlijk gereduceerd of wordt deze volledig geschrapt. De jaarlijkse multibeam-oriëntatiepeiling (JMP) van het gehele zomerbed (tussen de normaallijnen). Deze metingen worden verspreid over enkele weken uitgevoerd. Deze meting is dus geen momentopname. De jaarlijkse peiling wordt tegenwoordig twee keer per jaar ingewonnen, in voorjaar en najaar. De CoVadem-gegevens die dagelijks worden bepaald langs tracks van schepen met CoVadem apparatuur. Omdat het tracks (of lijnen) betreft, is er geen informatie van bodemligging tussen de tracks. Het aantal tracks wordt groter wanneer ook tracks van voorgaande dagen worden meegenomen.. De multibeam-peilingen zijn beschikbaar op een 1x1 m raster. Ten opzichte van de multibeam-data geldt: CoVadem-data (i) vragen om een grotere verwerkingsslag, (ii) hebben niet altijd en overal goede dekking, (iii) zijn van mindere kwaliteit dan multibeam-metingen, en (iv) zijn geen eigendom van Rijkswaterstaat. CoVadem-schepen meten de diepte onder de kiel, deze wordt door CoVadem omgezet in een waterdiepte. Om ieder meetpunt om te rekenen naar een bodemhoogte is de waterstand ter plaatse van en ten tijde van de meting benodigd. Voor de Boven-Rijn en Waal en Duitse Rijn draait er momenteel een operationeel systeem (Van der Mark en Lemans, 2020) dat de waterdiepte omrekent naar bodemhoogte, voor de overige Rijntakken is dit niet beschikbaar. CoVadem-data bestaan uit gevaren tracks, om te komen tot een rivierdekkende bodemhoogtekaart dienen de tracks te worden omgezet naar een rooster. Ook deze transformatie maakt deel uit van het operationele systeem, en is dus alleen voor de BovenRijn en Waal voorhanden. Topprioriteit voor CoVadem Services BV op dit moment is het opschalen van de vloot. Bij de opstart werden met name schepen opgenomen in de vloot die richting Duitsland varen.. 25 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(26) Momenteel wordt hierop niet meer geselecteerd, maar de verwachting is dat er nog wel een aanzienlijk betere dekking (iedere week meerdere scheepstracks over de gehele breedte van de rivier) is op de Boven-Rijn/Waal dan de andere Rijntakken. De CoVadem-data worden ingewonnen met het conventionele singlebeam echolood dat standaard aanwezig is op binnenvaartschepen. De kwaliteit hiervan is minder dan van een geavanceerd gevalideerd en gekalibreerd multibeam-echolood. Rijkswaterstaat heeft als launching customer van CoVadem (een aantal schepen van RWS zijn uitgerust met een CoVadem box) wel mogelijkheden om toegang te krijgen tot bewerkte data, maar uitgangspunt van CoVadem is en blijft dat de ruwe data eigendom blijft van de inwinner en dat toestemming nodig is om de data te gebruiken. Om de bovenstaande redenen is voor nu in het stappenplan gekozen om gebruik te maken van de multibeam-metingen (ofwel JMP ofwel BP, afhankelijk van welke op dat moment het meest actueel is), die in eigendom zijn van RWS. De “fout door ouderdom” achten we kleiner dan de fout die ontstaat door gebruikmaking van CoVadem-data bij het construeren van een actuele bodemkaart (vanwege de genoemde aspecten van dekking, interpolatie, extrapolatie, verwerkingsslag, meetkwaliteit). De meest recente multibeam-peiling (opvraagbaar via CIV) is dus voor de Boven-Rijn/Waal ofwel een JMP (tussen de normaallijnen) ofwel een BP (alleen de vaargeul). Voor het Pannerdensch Kanaal, de Neder-Rijn, Lek en IJssel is dit een JMP. De consequentie van de keuze voor multibeam is, dat de laatst beschikbare peiling niet altijd heel actueel is. Als het stappenplan bijvoorbeeld in september doorlopen wordt, is de JMP-multibeam al enkele maanden oud. De BP-peiling is in theorie maximaal twee weken oud, in de praktijk is dat wellicht anders omdat een peiling door de baggeraar ingeleverd en door RWS gecontroleerd zal worden voordat deze beschikbaar gesteld mag worden. Omdat er plannen zijn de frequentie van het inwinnen van multibeam-metingen te reduceren, zijn de CoVadem-metingen wel een relevante databron. Nu al, en zeker straks met een nieuw onderhoudscontract, zijn deze metingen het meest actueel. Waarschijnlijk is het daarom op zeker moment11 beter om gebruik te maken van CoVadem-metingen in plaats van van multibeam-metingen om een bodemkaart voor T0 te construeren. Naar de genoemde nadelen (eigendom, dekking van de Rijntakken, kwaliteit, vertaalslag naar bodemligging) dient dan gekeken te worden. Het voorstel is om de actuele bodemligging te projecteren op een 2D-rooster. De reden hiervoor en keuze voor de afmetingen van de roostercellen worden hieronder nader toegelicht. Rivierduinen (bodemvormen) wandelen over de bodem van de rivier. De toppen van de duinen kunnen te hoog worden en de scheepvaart hinderen. Vooral op de Midden-Waal worden geregeld duinen “afgetopt”. De duinen groeien in hoogte als de afvoer toeneemt, en worden weer kleiner bij afnemende afvoer. Dit kleiner worden gaat echter niet zo snel (de waterstand daalt sneller), het kan daarom voorkomen dat er nog relatief hoge duinen aanwezig zijn, nadat de waterstand gedaald is. Vooral in die situatie geven duinen hinder voor de scheepvaart. —————————————— 11. CoVadem werkt continu aan opschaling en verbetering van de kwaliteit van de data. Op dit moment is er vooral goede dekking op de Waal en Boven-Rijn; op een gegeven moment zal door opschaling ook de dekking op de Neder-Rijn en IJssel voldoende zijn. Op dit moment is er onvoldoende inzicht of de kwaliteit van de CoVadem-data in combinatie met de hoeveelheid tracks voldoende is om te allen tijde een nauwkeurige actuele bodemkaart te construeren voor alle Rijntakken. Als CoVadem doorontwikkelt, zal op gegeven moment de ouderdom van een multibeam-peiling tot een grotere fout leiden dan de fout door onvoldoende CoVadem-tracks of onvoldoende kwaliteit. Nadere analyse is nodig om hier inzicht in te krijgen.. 26 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(27) Verder kunnen kritieke ondieptes ontstaan op locaties waar een duin en andere ondiepte samenvallen. Een binnenbocht of wijder stuk rivier waar het doorgaans altijd relatief ondiep is, kan kritisch worden zodra daar een duin overheen migreert. Bij het afgeven van een bodemligging- en diepteverwachting willen we niet pretenderen dat we exact weten waar over een aantal weken een duintop ligt. Dit kan namelijk niet voorspeld worden, enerzijds omdat de peiling al wat ouder kan zijn (beginconditie op T0 is onbekend), anderzijds omdat de morfologische modelconcepten (voorspellen vanaf T0) hiervoor te onzeker en tijdrovend zijn. Dit is de reden om de bodemligging op een rooster te projecteren, zodanig dat de individuele rivierduinen niet meer zichtbaar zijn, maar de ondieptes door (optelling van) rivierduinen en bankenpatronen wel. Voor het “statische bodem spoor” is het nodig een maatgevende bodemkaart (stap F1 in Figuur 2-1) te creëren (maximale bodem, minimale diepte). Voor het “dynamische bodem spoor” geldt ook dat de minimale waterdiepte gewenst is, maar die wordt pas later in het proces bepaald. De verwachte bodemverandering wordt bepaald ten opzichte van een gemiddelde bodem, dus is het startpunt een gemiddelde bodemkaart (stap F2). De projectie op een rooster gebeurt voor stap F1 door alle bodemligging meetpunten (1 m x 1 m) binnen iedere roostercel te bepalen en de 95-percentiel waarde van deze meetpunten toe te kennen aan de roostercel. Hiermee wordt, in het midden van de rivier waar de duinen zich voortbewegen, een maatgevende bodem verkregen (Figuur 2-3). De toekenning van waarden aan roostercellen op deze wijze werkt goed, zolang de roostercellen langer zijn dan een rivierduin. Bij te korte cellen blijven de duinen zichtbaar in de resulterende bodem. In dwarsrichting zijn de cellen smal gekozen, zodat breedtevariaties in de bodem behouden blijven. Ook andere ondiepe locaties blijven op deze manier behouden, zoals de banken of niet-verplaatsende kribvlammen. Het rooster hoeft in principe maar één keer gemaakt te worden (tenzij er tijdens de toepassing aanleiding is om verbeteringen door te voeren), en is daarom niet als aparte actiestap in het stappenplan benoemd. Door de gemeten bodemligging op deze wijze op een rooster te projecteren blijft ook het effect van een mogelijk wat gedateerde bodem (kan zoals gezegd enkele maanden oud zijn) beperkt. De bodemligging verandert in de tijd, maar de grootschaliger bankenpatronen, met diepere buitenbochten en ondiepere binnenbochten, en kribvlammen zijn altijd aanwezig. De variatie hier omheen wordt gevangen door de bovengrens te beschouwen. De projectie voor stap F2 is nagenoeg gelijk, namelijk door alle bodemligging meetpunten (1 m x 1 m) binnen iedere roostercel te bepalen en de gemiddelde waarde van deze meetpunten toe te kennen aan de roostercel. Het resultaat van stap F: één maatgevende en één gemiddelde recente bodemkaart voor alle Rijntakken waar de kleinschalige structuren uit zijn weggefilterd.. 27 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(28) Resultaat van stap F 1. Voor het “statische bodem spoor” (stap F1): Een kaart van de maatgevende bodemligging voor alle Rijntakken, die wordt gebruikt als T0-bodem. 2. Voor het “dynamische bodem spoor” (stap F2): Een kaart van de gemiddelde bodemligging voor alle Rijntakken, die wordt gebruikt als T0bodem. De kaart wordt geconstrueerd aan de hand van de meest recente multibeampeiling: voor Pannerdensch Kanaal, Neder-Rijn, Lek en IJssel is dit de JMP, voor de Boven-Rijn en Waal is dit zeer waarschijnlijk de BP.. Figuur 2-3 Maatgevende bodem (zwarte lijn), die over de toppen van de duinen ligt.. 2.4.2. Verwachting bodemligging (stap G) Een methodiek of tool voor het voorspellen van de bodemligging 6-8 weken vooruit ligt niet kant en klaar op de plank. Op basis van bestaande kennis is een eerste verkenning gemaakt voor een methodiek (zie ook Bijlage B). Het voorstel voor de verwachting in bodemligging is nog niet gereed en niet compleet. Op basis van beschikbare kennis en waarnemingen is vastgesteld (zie Bijlage B) dat voor de voorspelling over een periode van 6-8 weken uitsluitend veranderingen in plaatsvaste en verplaatsende bodemvormen hoeven te worden beschouwd (duinen, kribvlammen, baggerwerk, etc.). De toppen van deze bodemvormen zijn bepalend voor de maximaal optredende bodemligging en daarmee de minimale waterdiepte. Uit de eerste analyses volgde dat de groei of afbraak van de hoogte van deze beddingvormen over het algemeen een orde kleiner zal zijn (orde van decimeters, hooguit 1 m) dan de bandbreedte van voorspelde waterstanden (orde van meters). De bijdrage van de veranderende bodemligging telt daardoor mogelijk minder zwaar mee in de voorspelling voor waterdiepte dan de waterstand. Hiermee lijkt het beargumenteerd dat een eerste schatting van waterdiepte mogelijk is door gebruik te maken van een statische bodemligging (de laatst gemeten bodemligging wordt vastgehouden; statische bodem spoor in Figuur 2-1). Als het toch wenselijk is de dynamiek van de bodem mee te nemen, was het eerste idee om dit te doen via een methode die de demping van actueel gemeten kleinschalige morfologische verschijnselen beschrijft (relaxatiemodel). Dit is redelijk eenvoudig toe te passen zonder grote rekenkracht.. 28 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(29) Dit voorstel is daarom verder uitgewerkt, en in het volgende hoofdstuk toegepast voor een stukje Waal van de Pannerdensche Kop tot het Maas-Waalkanaal (i.e., niet voor alle Rijntakken). Echter, uit analyses bleek dat volgens een relaxatiemodel op de termijn van 6-8 weken een noemenswaardige reductie van duinhoogte mogelijk is, vooral van duinen die zijn gevormd in een voorafgaand hoogwater. Een betere schatting van (minimale) waterdiepte kan dan wellicht worden bereikt door de verandering in bodemvormen te simuleren met de beschikbare opties in Delft3D. Al met al is het in dit stadium lastig om vast te stellen wat de beste aanpak is voor de beoogde toepassing. Validatie van het relaxatiemodel is niet gedaan, en het blijkt nodig dit toegepaste relaxatiemodel nog uit te breiden. Bodemvormen simuleren is mogelijk met de Delft3D duinmodule, maar dit vraagt een veel grotere rekeninspanning, en het is onbekend of de voorspelling daar beter van wordt. Tot nog toe is de duinhoogtevoorspeller in Delft3D niet ingezet in een operationele context, alleen nog maar in scenario analyses. Aanvullende tests zijn daarom noodzakelijk indien doorlopen van het dynamische bodem spoor gewenst is. Hieronder wordt nader ingegaan op de opties voor het maken van een verwachting van afbraak en groei van bodemvormen, en met name het relaxatiemodel en de Delft3D-optie (Figuur 2-4). De aanpak om via relaxatiemodel of Delft3D-optie te komen tot een verwachting in bodemligging is als volgt voor iedere roostercel: • • • •. Bepaal de initiële (T0) bodemvorm-gemiddelde bodemligging, Bepaal de initiële (T0) duinhoogte, Bepaal de ontwikkeling in duinhoogte gedurende de komende 6 weken (verwachting van afbraak en groei van bodemvormen), Bepaal de maatgevende (maximale) bodemligging gedurende de komende 6 weken door optelling van de initiële bodemvorm-gemiddelde bodemligging en een halve duinhoogte (per tijdstap en per afvoerrealisatie).. Figuur 2-4 Mogelijkheden om een voorspelling van afbraak en groei van bodemvormen voor een voorspelhorizon van 6 à 8 weken uit te voeren.. Relaxatiemodel (eenvoudige variant toegepast in Hoofdstuk 3) Om een verwachting in bodemligging te maken via een relaxatiemodel voor duinhoogte zijn om te beginnen benodigd (a) de bodemvorm-gemiddelde bodemligging op T0 (besproken in §2.4.1, Stap F2) en (b) de duinhoogte op T0.. 29 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(30) Bodemvormen zijn snel veranderende patronen. De duinhoogte op T0 kan daarom niet afgeleid worden van verouderde multibeam-peilingen, dit in tegenstelling tot de bodemvormgemiddelde bodemligging, waarbij in veel gevallen een verouderde multibeam-peiling nog wel representatief zal zijn voor de actuele situatie. De duinhoogte op T0 kan als volgt voor iedere roostercel worden bepaald: •. •. Als de meest recente multibeam-peiling niet verouderd is (niet ouder dan zeg 2 weken), gebruik dan de multibeam-peiling. Duinhoogte kan dan als volgt bepaald worden: – Verschil tussen de maximum en de minimum waarde in de cel, als maat voor de duinhoogte (deterministisch), – De standaardafwijking of de 95% -waarde van de bodemligging zowel boven als onder het gemiddelde, als maat voor duintoppen en troggen (statistisch). Als de meest recente multibeam-peiling verouderd is (ouder dan zeg 2 weken), gebruik dan: – Actuele CoVadem-gegevens, of – De duinhoogtemodule van het Delft3D-model.. In Hoofdstuk 3 is een beheerpeiling (jonger dan 2 weken) gebruikt en is het verschil tussen het maximum en minimum bepaald als initiële duinhoogte. Er zijn vervolgens verschillende mogelijkheden om een voorspelling van afbraak en groei van bodemvormen voor een voorspelhorizon van 6 weken uit te voeren met behulp van een dempingsfunctie (zie Figuur 2-4). Toegepast in Hoofdstuk 3 is een simpele relaxatievergelijking met constante tijdschaal (optie 2 in Figuur 2-4) voor de situatie waarbij duinen uitdempen na een periode van hoogwater. Deze situatie wordt maatgevend geacht voor het ontstaan van ondieptes door bodemvormen. Immers, de duinhoogte van grote duinen neemt over het algemeen langzamer af dan de waterstand, waardoor nog redelijk lang na een hoogwaterperiode de duinen maatgevend kunnen zijn voor scheepvaartknelpunten. De methode voorziet niet in een herhaalde groei van de duinen, bijvoorbeeld tijdens een tussentijds zomerhoogwater. Daarvoor moet worden gewerkt met een functie die de actuele duinhoogte relateert aan een evenwichtswaarde voor duinen. Voor iedere roostercel wordt de initiële duinhoogte berekend door het verschil te bepalen tussen de maximale en minimale bodemhoogte in de cel, of het verschil tussen gemiddelde en maximale bodemligging in een cel maal 2. Tijdschalen voor aanpassing van duinen zijn in de orde van T = 20 dagen (Giri et al, 2008). De afname van bodemvormen kan dan door de volgende relatie worden beschreven:.  −t  zmax ( t ) = z gemidd ( 0 ) + ( zmax ( 0 ) − z gemidd ( 0 ) )  exp   T . (1). Nadeel van deze formulering is dat deze convergeert naar een situatie zonder duinen (zmax =zgemidd). Daarom is een variant gebruikt waarbij de bodem convergeert naar een aangenomen evenwichtsduinhoogte van 0,1 m (of andere te specificeren waarde). Deze relatie geeft slechts een grove benadering van de duinafbraak. Omdat deze relatie onafhankelijk is van stromingscondities (en dus niet afhangt van het verwachte afvoerverloop) kan deze bodemvorm-afbraak berekening eenmalig direct aansluitend op de bodemprojectie worden uitgevoerd.. 30 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

(31) Een eerste stap in het verbeteren van deze methode, is het gebruik van een afvoerafhankelijke tijdschaal T(Q) waarbij de tijdschaal T afneemt (processen versnellen) wanneer de afvoer Q toeneemt, en vice versa (optie 3 in Figuur 2-4). Op dit moment zijn er nog onvoldoende gegevens om deze functies te ontwikkelen. Een ander probleem is dat duinhoogte niet alleen afhangt van afvoer, maar ook van andere variabele invloeden zoals retourstroom en schroefstraal van passerende schepen, veranderende bodemsamenstelling, etc.. Daarnaast houdt deze methode geen rekening met tussentijdse groei en de verplaatsing van duinen naar aanliggende roostercellen. De duinen verplaatsen zich over een afstand van 100 tot enkele honderden meters gedurende het voorspeldomein van 6-8 weken, en verplaatsen dus naar benedenstroomse cellen. Delft3D-optie De meest complete methode (maar niet eerder in operationele context toegepast) voor duinhoogtevoorspelling (optie 5 in Figuur 2-4) is reeds beschikbaar in Delft3D en direct toepasbaar op een rekenrooster. De aanpak berekent zowel groei als afbraak van duinhoogte bij veranderende stromingsomstandigheden, en de advectie (verplaatsing) van de duinen. Delft3D gebruikt hiervoor de duinhoogtemodule in een hydrodynamische berekening. Hoewel deze aanpak niet is toegepast in deze studie, kan worden overwogen deze in de toekomst toe te passen voor een betere voorspelling. De procedure voor een dergelijke berekening is dan als volgt: 1 2. 3. De actuele duinhoogte per roostercel, afgeleid uit de metingen of model *), wordt ingevoerd als initiële duinhoogte in Delft3D. De hydrodynamische berekening (inclusief duinhoogtevoorspeller) wordt uitgevoerd voor alle 51 afvoerrealisaties (er hoeft niet morfologisch te worden gerekend). Deze berekeningen kunnen onafhankelijk (dus parallel) van elkaar worden uitgevoerd. Omdat het simulaties zijn voor hooguit 8 weken, zal de rekentijd van elke berekening redelijk beperkt zijn. In principe kunnen deze berekeningen de SOBEK berekeningen zelfs vervangen, omdat het model ook de waterstanden en afvoerverdeling simuleert voor alle Rijntakken (maar dit wordt niet aanbevolen omdat het SOBEK3-model veel beter gekalibreerd is op waterstanden). De duinhoogtemodule in Delft3D rekent per roostercel een evenwichtsduinhoogte uit op basis van de lokale stromingscondities. Door middel van een advectie- en diffusiemodel wordt vervolgens de duinhoogte-ontwikkeling in ruimte en tijd berekend op het rooster. De evenwichtsduinhoogte wordt met een empirische relatie berekend (bijvoorbeeld “Van Rijn” of “Fredsøe“ formules). Deze relaties kunnen worden verbeterd wanneer deze met meetdata worden gekalibreerd.. *) In situaties met verouderde data (bijvoorbeeld bij gebruik van een jaarlijkse multibeampeiling die al enkele maanden geleden is ingewonnen) is het beter een schatting te maken van de initiële duinhoogte met het Delft3D-model of CoVadem-data in plaats van de duinhoogte uit de multibeam-metingen te halen. De duinhoogtemodule van dit model geeft een benadering van de mogelijke duinhoogte, die is ontstaan door het afvoerverloop van de voorgaande periode. Aanbevolen wordt om in dit geval minimaal 2 maanden terug te kijken.. 31 van 107. Verwachting waterdiepte Rijntakken 11205272-006-ZWS-0008, 18 december 2020.

No results found